林兰英（右）进行砷化镓研究

（图片来源：中国科学院院士文库）

中国科学院半导体研究所已走过四十年历程（本文撰写于2000年）。四十年来，全所几代人辛勤耕耘、从无到有，为开创和发展我国半导体科学技术、奠定我国半导体工业初步基础，并将半导体技术应用于国防军事领域作出了重大贡献。作为我国第一代半导体材料科研工作者，我为此深感欣慰。回顾这四十多年的峥嵘岁月，最值得珍视的，是当年那种艰苦奋斗的创业精神。值此半导体研究所成立四十周年之际，谨以此文与老同志们共同回味我们曾经历的艰辛与喜悦，更希望年轻一代将这种精神发扬光大，推动研究所为国家作出更大贡献。

1957年初，我从美国归来不久后便进入中国科学院物理研究所半导体研究室工作——这里正是半导体研究所的前身。当时的物理研究所是在原中央研究院旧址上扩建而成，而中央研究院的建筑面积仅约为物理所的五分之一。国民党政府留下的基础之薄弱，由此可见一斑。半导体研究室成立仅一年多，全室只有二十余人。我所在的材料组有七八名成员，仅有一间实验室，内设两台拉制单晶的炉子，另有一间14平方米的办公室，其中挤着六张三屉桌和一个书柜，进出时常需要喊着“劳驾”互相让路。

我一家五口住在交道口小三条的一处四合院中，三间东西向的居室总面积约35平方米。全家生活及远在福建的外祖母的生活费用均由我一人承担。当时我的月薪为207元，这一标准一直延续到1978年未曾变动。每当有人问及生活待遇，我总是说：“如果为了钱，我就不回来了。”那时心中别无他念，唯愿祖国早日富强。

1957年秋，我们材料组成功拉制出中国第一根锗单晶。随后又用一个月时间研制出n型和p型锗单晶各一公斤，供给北京电子管厂用于制造半导体收音机的锗晶体管。1958年，我国自主生产的半导体收音机终于问世。

硅材料是制造晶体管和集成电路芯片的关键基础。20世纪50年代初，美国已基本停止锗单晶的研发生产，全力攻关硅单晶技术。而我国当时制定的“十二年科学技术发展规划”中，将硅单晶研究列为十年后的目标。我深感不解：我们这样一个伟大的国家，为什么不能加快一些？于是我立即向领导提出研制硅单晶的建议，很快得到各级支持，项目迅速启动，说干就干了起来。然而条件确实艰苦——几乎一无所有。拉制硅单晶需用氩气作为保护气体，但西方国家对我国禁运，国内又无法生产。我决定尝试在高真空中拉制硅单晶。在半年多的时间里，大家日夜奋战，三餐都在办公室里吃，困了便伏在案前打个盹。经历无数次失败与挫折，终于在1958年国庆前夕成功生长出中国第一根硅单晶。

要实现硅单晶的批量生产，石英坩埚必不可少。国内无法生产，国外又封锁禁运。我试图用在苏联讲学的报酬购买几支石英坩埚，也未能成功。我立即向聂荣臻副总理汇报，建议国家支持北京玻璃厂尽快攻克石英坩埚的制造难题。

要批量生产高质量硅单晶，还需要先进的单晶炉。当时从苏联引进的硅单晶炉笨重难用，安装不便，且因经常移动导致籽晶杆对中不稳、热场均匀性变化等问题。我决心设计中国人自己的硅单晶炉。经过反复思考，灵感来自普通的衣柜门——对，就造开门式单晶炉！我带领几名刚毕业的清华学生深入工厂，与工人师傅共同设计制造出我国首台开门式单晶炉。1962年初首次试拉便成功获得我国第一根无位错硅单晶，质量接近当时国际先进水平。该单晶炉荣获国家级新产品奖，日本方面闻讯后特邀其参加东京国际工业博览会。展览大厅里，中国制造的硅单晶炉成为焦点。该炉型在国内生产900余台，最远销至罗马尼亚等东欧国家。正是有了硅单晶的突破，我国才得以陆续研制出高频小功率管、高频开关管、高频功率管等多种平面晶体管，这让我倍感欣慰！

材料科学需要先行。1960年中国科学院半导体研究所成立，我担任材料研究室主任。基于这一认识，我立即提出开展砷化镓单晶制备研究，瞄准高速器件和光电器件的前沿应用。起初并非所有人都支持这一建议：有人认为过于超前，可能二十年内都用不上，还会分散科研力量。但我坚持己见，最终获得上级批准。于是从1960年起，我们开始了砷化镓单晶的研制工作。

当时正值三年困难时期，物资极度匮乏，实验条件极其简陋：用砖头垒垛、木板搭台就是实验台；冬天无暖气，夏天无电扇，守着高温炉子工作，我浑身长满痱子。最初阶段反应管频繁爆炸，有时连炉子都被炸坏，室内弥漫着有毒的砒霜雾气。突破合成关后，经过一年多的努力，到1962年秋，我们率先在全国生长出砷化镓单晶，电子迁移率达到4800cm²／V·s，创下当时国际最高纪录。同年世界上首支砷化镓激光器问世，正因为我们掌握了砷化镓单晶技术，研究所于1963年便成功研制出砷化镓激光器。

几十年来，我们材料研究室始终以侦察兵的敏锐关注新技术动向，以“先行官”的担当冲锋在前：1960年，研制成功硅外延材料，为集成电路和硅微波器件奠定基础；1961年，生长出锑化铟单晶，1962年其迁移率达6×10⁵cm²／V·s，与英国水平相当；1977年，研制出SOS硅外延材料，1986年推动研制抗辐照CMOS集成电路，1990年应用于长寿命通信卫星；1979年，研制出我国首台高压单晶炉和首根GaP单晶；1987年，研制出世界首台双束离子束外延设备；1990年代后期，研制出双异质结SOI外延材料。

砷化镓单晶虽应用广泛，但器件成品率极低，这与材料纯度不足密切相关。1973年，我决定攻关材料纯度，将研究方法转向气相外延和液相外延。从基础做起，研制先进的外延生长系统，从机理层面探究影响纯度的科学问题。虽然初期进度稍慢于兄弟单位，但我们始终牢记攀登科学高峰、为国争光的使命。经过八九年的努力，我们的气相外延和液相外延技术同时达到国际先进水平：气相外延成果被收录进美国《砷化镓手册》，至今保持该领域最高水平；研制的p型液相外延材料纯度超过美国贝尔实验室提供的样品，被国际学界公认为世界最高水平。该成果于1982年获中国科学院科技进步一等奖，几年后又获国家科技进步二等奖。

林兰英（右）在美国国家肯尼迪航天中心参观模拟太空舱

（图片来源：中国科学院院士文库）

地面生长的砷化镓体单晶存在均匀性差、点缺陷多、纯度低、稳定性和重复性不足三大难题，这是全球尚未解决的课题。能否通过空间生长解决这些难题？德国方面得知我的设想后，于1986年8月邀请我赴德与缪勒教授商讨空间材料合作。缪勒教授虽未在空间生长过砷化镓单晶，在地面研究方面也不如我们经验丰富，但态度傲慢，与德国科技部门意见相左，缺乏合作诚意。这激发了我的斗志——我就不相信，你们能干，我们就不能干。我发誓：一定要干出样子来给你看一看。在回国航班上，我便开始构思利用中国返回式卫星在微重力环境下生长砷化镓单晶的方案。

这一设想得到航天部和相关专家的大力支持。1987年10月，我们与航天部合作，利用我国返回式卫星在世界上首次实现从熔体中空间生长GaAs单晶，开创了我国微重力科学研究新领域。此后又成功完成四次砷化镓单晶空间生长实验。国际同行认为，我们的成果充分证明了空间生长砷化镓的优越性，促使他们下定决心开展相关研究。中国赢得了国际同行的尊重，美国国家航空航天局（NASA）著名华裔微重力专家李杰信博士高度评价：“这是中国人民以勤劳节俭精神创造的杰出科学成果。”该成果于1989年获中国科学院科技进步一等奖，1990年获国家科技进步三等奖。

我们还与电子部合作，利用空间生长的半绝缘砷化镓单晶研制出微波低噪声场效应晶体管和模拟开关集成电路。系统研究表明，空间生长的半绝缘砷化镓单晶的综合电性能全面优于常规LEC法制备的样品，展现出空间材料研究的广阔应用前景。

当前，我国半导体工业水平与大国地位尚不相称。我正致力于推动研究所实现半绝缘砷化镓单晶的小批量生产能力，服务国民经济建设。我愿尽己所能，在有生之年继续促进研究所材料科学的持续发展。

（节选自物理．2003，（12）：820－822）